1979—2018年湖南冰雹日数气候特征及影响因子分析

2020-05-11桑友伟孟蕾何娜黄武英

湖北农业科学 2020年2期

桑友伟　孟蕾　何娜　黄武英

摘要：利用1979—2018年湖南95个气象站冰雹日数观测资料和NECP 0.5°×0.5°再分析资料，采用线性倾向估计、M-K检验、小波分析、相似度分析等方法对湖南省冰雹气候特征及影响因子进行分析。结果表明，湖南省降冰雹季节性明显，主要降雹月份为1—5月，3月冰雹日数最多，是典型春季降雹区;湖南省冰雹总体西北多，东南少，由西北向东南递减;近40年湖南省冰雹日数显著减少，3月减少趋势最显著，同时冰雹日数呈周期性变化，以2～3年和4～6年周期最为显著，进入2000年以来主要以3年周期波動变化为主;冰雹日数的减少主要来自冰雹高发区日数在显著减少，湘西北、湘北、湘西南、湘中等地多数站点冰雹趋势下降显著;湖南省冰雹空间分布及变化趋势与大气稳定度K指数的分布及变化趋势显著相关，在月平均K指数低于23的区域内，冰雹高值区与同纬度上K指数的相对高值区相对应，冰雹日数显著减少地区对应K指数显著增加的区域。

关键词：冰雹;时空分布;K指数;大气稳定度

中图分类号：P46 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020）02-0044-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.02.010 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Analysis on climatic characteristics and influencing factors of

hail days in Hunan province from 1979 to 2018

SANG You-wei1，MENG Lei1，HE Na2，HUANG Wu-ying3

（1.Hunan Branch of China Meteorological Administration Training Centre，Changsha 410125，China;

2.Jiahe County Meteorological Bureau，Jiahe 424500，Hunan，China;3.Zixing Meteorological Bureau，Zixing 423400，Hunan，China）

Abstract： Hail days observation data from 95 weather stations in Hunan province and NECP 0.5°×0.5° reanalysis data from 1979 to 2018 was used to analyze the climatic characteristics and influencing factors of hail days in Hunan by linear trend estimation， M-K test， wavelet analysis， and similarity analysis. The results showed that the season of hail in Hunan province was obvious， the months from January to May are the main hail months， and the number of hail days in March was the most， which was a typical spring hail area; In general， hail in Hunan province was more in the northwest and less in the southeast， decreasing from northwest to southeast; In recent 40 years， the number of hail days in Hunan province had decreased significantly， and the decrease trend was the most significant in March， at the same time， the number of hail days presents periodic changes， especially in cycles 2～3 years and 4～6 years， 3 years cycle fluctuation had been the main trend since 2000; The decrease of hail days in Hunan province mainly came from the significant decrease of hail days in the areas with high incidence of hail， most stations in northwestern Hunan， northern Hunan， southern Hunan and central Hunan had a significant decrease of hail days; The spatial distribution and variation trend of hail in Hunan province were significantly correlated with the distribution and variation trend of atmospheric stability K index， in the regions with monthly average K index lower than 23， the high value area of hail corresponds to the relatively high value area of K index at the same latitude， and the regions with significantly decreased number of hail days correspond to the regions with significantly increased K index.

Key words： hail; spatial and temporal variation; K index; atmospheric stability

湖南省地处云贵高原向江南丘陵和南岭山脉向江汉平原过渡的地带，地势呈三面环山，朝北开口的马蹄形地貌，由平原、盆地、丘陵、山地、湖泊等构成[1]。冰雹是湖南省主要灾害性天气之一，通常伴随雷暴大风、短时强降水等，自天空降落到地面，一般持续时间不长，却对粮食作物、经济作物、交通运输、建筑設备，甚至对人民生命财产安全造成严重影响，因此分析冰雹日数气候特征有十分重要的意义。

许多气象科研工作者已经对中国不同地区冰雹时空分布特征、变化趋势规律、预测预警方法和典型天气个例进行研究，取得了很多有益成果。张芳华等[2]分析1971—2000年中国冰雹日数时空分布特征，徐桂玉等[3]对中国南方冰雹气候特征进行三维EOF分析，众多学者[4-8]对中国北方不同地区冰雹气候特征进行详细分析。对于湖南省冰雹，曾志云等[9]对1967—2006年湖南省冰雹时空分布和变化特征及机理进行分析，指出进入90年代冰雹呈现减少趋势，还有其他学者[10-13]研究了湖南省不同地市州冰雹发生特点或冰雹天气过程预报预警。目前对湖南省冰雹气候特征分布研究虽然较多，但多集中基本时空尺度分布或预警预报总结，针对气候变化背景下湖南省冰雹日数变化及其对应影响因子的研究很少。本研究旨在分析湖南省冰雹日数时空分布及时空变化，同时分析表征大气稳定度的K指数气候特征与冰雹分布及变化的对应关系，有助于进一步全面了解湖南省冰雹分布与变化特征，为进一步做好气象防灾减灾和气象为农服务工作提供参考。

1 资料与方法

资料来自于1979年1月1日至2018年12月31日湖南省95个国家级气象观测站的降冰雹记录。

冰雹日数的定义为在气象观测站出现冰雹或区域内出现冰雹为一个冰雹日，观测时间日界以地面气象观测标准20时为准[14]。

1979年1月1日至2018年12月31日大气层结稳定度指标K指数资料来源NCEP 0.5°×0.5°再分析资料。K指数计算公式[15]如下。

K=[T850-T500]+[Td]850-[T-Td]700

式中，T表示温度，Td表示露点温度，下标数字表示所在等压面（hPa），单位为℃。K指数数值越大代表大气越不稳定。

采用线性倾向估计[16]分析冰雹日数的气候倾向率，利用M-K检验方法[17-19]对冰雹日数变化情况进行显著性检验，采用Morlet小波分析[20]对冰雹日数的周期变化进行分析，利用ArcGIS软件空间分析模块的反距离权重插值法进行冰雹日数和K指数的分布与变化在湖南省范围内空间插值[21]，利用Matlab软件计算冰雹日数空间分布与K指数空间分布两个矩阵、冰雹日数气候倾向率空间分布与K指数气候倾向率空间分布的二维相关系数[22]。

为了便于详细分析湖南省不同地区冰雹气候特征和变化趋势，按照《中国气象地理区划手册》[23]将湖南省划分为湘西北、湘北、湘西南、湘中、湘东南，湘西北、湘西南和湘东南地区以山区为主，湘北和湘中以平原和丘陵为主（图1）。

2 结果与分析

2.1 冰雹气候特征

2.1.1 冰雹日数时间分布由1979—2018年湖南省冰雹日数各月累年平均分布（图2）可知，湖南省冰雹一般全年均可出现，月冰雹日数呈现单峰形，峰值出现在3月;降雹主要集中在1—5月，占冰雹年平均日数的95.7%，尤其以3月出现冰雹日数最多，平均为22.8 d/年，占冰雹年平均日数的45.8%，为典型的春季降雹型;2月冰雹日数次之，平均为14.6 d/年，占冰雹年平均日数的29.2%，秋季9—11月冰雹最少，3个月共计占比0.6%。与众多地区降雹集中在夏季[6-8]不同，湖南省冰雹主要集中在春季，造成这种明显的季节性差异的原因，主要是因为降雹与副热带急流、极锋急流及其锋系位置的季节变化有密切关系[24]，春季这些系统位于长江流域附近，造成湖南省春季多冰雹。

2.1.2 冰雹日数空间分布湖南省虽然各地都有冰雹出现，但受地形地貌影响很大，具有显著的地域特点。由1979—2018年湖南省冰雹日数的空间分布（图3）可知，湖南省冰雹总体西多东少，北多南少，山区多于平原。湖南省各地年平均冰雹日数在0.1～2.2 d/年，湘西北大部分地区年平均冰雹日数多在1.0 d/年以上，特别是位于湖南省西北部边缘的吉首、武陵山北部的桑植和张家界等地区，是湖南省主要多雹地区，年平均冰雹日超过1.5 d，最多年份2005年可达9 d;自西往东，随着地势逐渐降低，冰雹日数也显著减少，湘北地区中部、湘中地区北部和湘东南地区西部多为0.4～1.0 d/年;湘北地区偏东部、湘中地区偏南部、湘东南地区东北部和南部丘陵山地年平均冰雹日数在0.4 d/年以下，成为湖南省主要少冰雹区。

2.2 冰雹气候变化特征

2.2.1 冰雹日数年际变化由1979—2018年湖南省冰雹日数的年际变化情况（图4）可知，湖南省冰雹日数整体呈现下降的趋势，湖南省1988年冰雹日数最多，达到211 d，1992年次之，达到160 d，1999年冰雹日数最少，全年不超过2 d，2000年、2008年、2011年、2014年、2017年也是冰雹日数极少的年份，皆不超过6 d。近40年湖南省冰雹日数气候倾向率为-1.8 d/年，通过了0.01水平上的显著性检验，说明湖南省冰雹日数以每年1.8 d左右的趋势递减。

1979—2018年湖南省冰雹日数整体呈现明显减少趋势，为了进一步分析各月的冰雹日数变化情况，对湖南省各月冰雹日数的气候倾向率（图5）进行分析可知，1—4月，湖南省冰雹日数气候倾向率为负值，尤其是3月气候倾向率绝对值最大，减少趋势最明显，约为-1.0 d/年。这表明作为处于典型春雹区的湖南省，其冰雹日数逐年减少主要是由于冰雹高发月份1—4月冰雹日数减少造成的。

2.2.2 冰雹日数周期变化分析1979—2018年湖南省冰雹日数小波能量谱（图6）可知，近40年来湖南省冰雹日数变化周期以2～3年、4～6年和准8年周期为主，其中以2～3年和4～6年周期最为显著，最强的周期为以4年为中心的周期变化，并通过显著性检验。具体分析可知，2.5年周期在1990年之前和1996年之后较强，3年周期在2000年前较强，2000—2016年较弱，2017年后再次变强，4～6年周期在1996年之前较强，1996年以后变弱，准8年周期则一直较弱。说明湖南省冰雹日数进入2000年以来主要以3年周期波动变化为主，每3年会有一次波动。

2.2.3 冰雹日数变化空间分布由1979—2018年湖南省冰雹日数年际变化分析可知，湖南省冰雹整体在显著减少。为了更进一步了解湖南省各个地区冰雹日数变化趋势，分析湖南省各气象观测站冰雹日数的气候倾向率空间分布（图7）可知，湘西北、湘北、湘西南、湘中地区多数站点的气候倾向率为负值，湘西北张家界、常德、龙山、古丈，湘北常德、桃源、南县、安化，湘中长沙、湘乡，湘西南新晃、芷江、洪江、通道等地减少趋势显著，通过了0.05水平的显著性检验;而湘东南安仁、桂东、桂阳、炎陵、双牌、东安等地呈略微增加趋势，但未通过显著性检验。说明近40年湖南省冰雹日数减少的原因主要是由于湘西北、湘北、湘西南、湘中等地多个站点冰雹日数呈现明显减少趋势造成的。结合上述内容可说明近40年湖南省冰雹日数的减少主要来自冰雹高发区日数在显著减少。

2.3 冰雹日数与大气稳定度K指数的关系

强对流天气发生发展的3个基本条件分别是水汽条件、不稳定层结、抬升条件[15]。冰雹作为强对流天气产物之一，大气稳定度条件对其有十分重要的影响。对1979—2018年湖南省冰雹日数与表征大气稳定度的K指数气候特征（图8）进行对比分析发现，湖南省K指数空间分布总体为南高北低，冰雹日数则是北高南低，两者空间分布在同一经线上的相似度为-0.53，达到显著负相关水平，可见在同一经线上冰雹日数高值区对应的是K指数的低值区，冰雹高值区主要集中在K=22等值线以北的山区;对比同为冰雹高值区的湘西北和湘西南地区，对两者进行区域分析发现，冰雹日数空间分布与K指数纬向距平的空间分布相似度达0.77，有显著的正相关关系，说明冰雹分布主要高值区并不与K指数的绝对高值区相对应，而是在月平均K指数低于23的区域内，与同纬度上K指数的相对高值区相对应。造成这种情况可能是因为湘西北和湘西南地区为南北走向的山区，而同时湖南省主要受偏西風影响，山区起到了抬升偏西气流并使大气层结变得更加潮湿不稳定的作用[25]，容易在其他因子共同作用下成为冰雹多发地带。

进一步考虑冰雹日数年际变化与K指数年际变化的对应关系（图9），取变化较显著的3月进行分析发现，3月湘西北地区冰雹显著减少，其对应的K指数则显著增加，通过0.05水平显著性检验，而在某些K指数增加不显著甚至呈降低趋势的地区有冰雹日数的略微增加，这与冰雹的发生条件有关系。冰雹发生时，垂直高度上的零度层位置既不能太高也不能太低[15]，表明冰雹发生时所需的暖湿层既不能太厚也不能太薄，而K指数增加的原因之一就是暖湿层的增强，因此在同样的地理地貌条件下，冰雹高值区K指数的增加反而不利于冰雹的发生。

3 小结与讨论

通过对1979—2018年湖南省冰雹气候特征及影响因子的分析研究，得出结论如下。

1）湖南省降冰雹季节性明显，1—5月冰雹出现最多，以3月为主，出现频率占年总数的45.8%，是典型春季降雹区。本研究结论符合中国南方冰雹气候特征，如徐桂玉等[3]在中国南方冰雹气候特征的三维EOF分析中指出，中国南方冰雹季节变化显著，春季2—5月为多冰雹季节，其中3月出现最大值。

2）湖南省冰雹西部多于东部，北部多于南部，高山多于平原;总分布呈现西北多、东南少的趋势，由西北向东南递减，这与曾志云等[9]的研究较为一致;位于湖南省西部边缘的吉首、武陵山北部的桑植、张家界是湖南省主要多冰雹区。

3）近40年湖南省冰雹日数呈波动显著下降趋势，气候倾向率为-1.8 d/年;各月累年平均冰雹日数在3月减少趋势最显著;湖南省冰雹日数变化周期以2～3年、4～6年和准8年周期为主，其中以2～3年和4～6年周期最为显著，进入2000年以来主要以3年周期波动变化为主。

4）近40年湖南省冰雹日数的减少主要来自冰雹高发区日数在显著减少，湘西北、湘北、湘西南、湘中等地多数站点冰雹趋势下降显著，而湘东南部分地区气候倾向率为正值，但未通过显著性检验。

5）湖南省冰雹分布及变化与大气稳定度K指数的分布及变化密切相关，但冰雹高值区并不与K指数的绝对高值区相对应，这与孟妙志[26]、李勇等[27]对于强对流天气物理量取值范围的研究结果较为相近，湖南省冰雹高值区在月平均K指数低于23的区域内主要与同纬度上K指数的相对高值区相对应。

6）分析3月冰雹高值月份可知，冰雹日数显著减少地区对应K指数显著增加的区域，从气候角度上诠释了冰雹的发生对暖湿层的要求在特定范围内，暖湿层不能太高也不能太低。

本研究从气候角度深入讨论了湖南省冰雹的时间和空间分布及变化，并量化分析了冰雹与大气稳定度的相互关系，表明在气候变化背景下冰雹日数无论在时间还是空间上都呈现出显著的分布特征和变化特征，并在一定程度上说明了全球变暖背景下虽然强对流天气频发，但冰雹日数却在显著下降的原因，为科学防雹提供了科学参考。但考虑到冰雹天气具有空间尺度小、生命史短、局地性和突发性强等特点[15]，如果结合更多各地冰雹灾情资料进行研究结果可能更好;可将湖南省不同季节盛行风向与地形之间关系作为影响湖南冰雹分布的重要因子，需要今后进行深入研究。

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